高英飛 傅偉林 謝剛 張曉東 丁雯娟 劉學(xué)莉

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 試驗(yàn)室簡(jiǎn)介

風(fēng)洞試驗(yàn)室至今已有一百五十多年的發(fā)展歷史，據(jù)記載，英國(guó)航空委員會(huì)會(huì)員Francis Herbert Wenham 在1871 年設(shè)計(jì)并建造了世界第一個(gè)風(fēng)洞，此后根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域要求，發(fā)展成為不同種類的風(fēng)洞試驗(yàn)室，按照不同方式分類主要有以下幾種：

按照速度等級(jí)分為：

亞音速風(fēng)洞Subsonic（M＜0.8）、跨音速風(fēng)洞Transonic（0.8＜M＜1.2）、超音速風(fēng)洞Supersonic（1.2＜M＜5.0）、高音速風(fēng)洞Hypersonic（M＞5.0），其中M 為馬赫數(shù)，即風(fēng)速與聲速之比，取聲速=343m/s@20deg，按照以上分類，汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室均屬亞音速范疇。[1]

按照氣流循環(huán)方式分為：

開式風(fēng)洞（氣流從測(cè)試段后直接排出）和閉式風(fēng)洞（氣流經(jīng)測(cè)試段后進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)）。[3]

按照應(yīng)用領(lǐng)域分為：

航空風(fēng)洞、汽車風(fēng)洞（分整車風(fēng)洞和模型風(fēng)洞）、建筑風(fēng)洞等，其中汽車風(fēng)洞又可分為環(huán)境風(fēng)洞Climatic Wind Tunnel和空氣動(dòng)力學(xué)聲學(xué)風(fēng)洞Aero Acoustic Wind Tunnel（下文分別簡(jiǎn)稱為CWT 和AAWT）。其中，CWT 主要用于研究和驗(yàn)證車輛的熱力學(xué)性能，例如發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能，空調(diào)的舒適性等；而AAWT 則主要用于研究車輛的氣動(dòng)和聲學(xué)性能，例如空氣阻力/升力/側(cè)向力，聲學(xué)性能等。兩者的主要區(qū)別在于設(shè)備組成和環(huán)境要求。

在設(shè)備方面，AAWT 利用天平測(cè)量各向分力，CWT 則用轉(zhuǎn)鼓模擬路面條件和載荷。由于兩種設(shè)備原理和安裝要求完全不同，故不能相互代替，目前有部分試驗(yàn)室設(shè)計(jì)為可更換方式，但此功能實(shí)現(xiàn)需龐大且復(fù)雜的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)，從投資和實(shí)用的角度非最優(yōu)實(shí)踐。當(dāng)然也有部分試驗(yàn)室同時(shí)安裝天平和轉(zhuǎn)鼓，非常規(guī)案例，實(shí)際效果還有待考證。

在環(huán)境要求方面，AAWT 的環(huán)境要求通常為恒溫恒濕，而CWT 則根據(jù)不同試驗(yàn)工況有不同溫濕度和光照的要求，且同一工況下也會(huì)有環(huán)境變化要求，例如爬坡工況要求在爬坡的同時(shí)溫度降低，以達(dá)到山地氣候的模擬。

汽車環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室（CWT）由于溫度變化范圍大（一般為-40℃～60℃），氣流品質(zhì)要求較高，綜合實(shí)施難度較大，故下文以此類試驗(yàn)室為例進(jìn)行風(fēng)洞系統(tǒng)功能介紹。

CWT 能夠開展各類與熱力學(xué)相關(guān)的試驗(yàn)，主要包括：

1.熱管理性能（空調(diào)系統(tǒng) (HVAC) ：制冷/ 采暖、控制策略標(biāo)定、除霜/ 除霧性能測(cè)定熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)、自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定）。

2.動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)(PTC)、整車發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)、制動(dòng)散熱性能測(cè)定試驗(yàn)、最大速度測(cè)定試驗(yàn)、最大加速度測(cè)定試驗(yàn)、熱害風(fēng)險(xiǎn)測(cè)定。

3.氣候條件影響、雨刮器試驗(yàn)、水流管理試驗(yàn)、降雪試驗(yàn)、泥濺效應(yīng)測(cè)定。

CWT 各系統(tǒng)簡(jiǎn)介如下：

（1）轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)

轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的功能是路面模擬，按照驅(qū)動(dòng)方式分為四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓（4x4-四驅(qū)四電機(jī)和4x2-四驅(qū)兩電機(jī)）和兩驅(qū)轉(zhuǎn)鼓[2]。按照尺寸分類目前主要有兩種，分別是48 英寸和75 英寸。系統(tǒng)由轉(zhuǎn)鼓（道路模擬）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、固定裝置、安全系統(tǒng)、司機(jī)助（駕駛輔助裝置）、路面熱效應(yīng)模擬等組成。該系統(tǒng)可模擬真實(shí)道路的路面特征，即模擬車輛行駛時(shí)需克服的阻力（道路摩擦阻力，風(fēng)阻，機(jī)械摩擦阻力）。大部分試驗(yàn)過程都是由車輛驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓，此時(shí)車輛輸出的功率可轉(zhuǎn)化為電能可儲(chǔ)存或反饋到電網(wǎng)，故在轉(zhuǎn)鼓的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可其使用的同步系統(tǒng)降低。

（2）風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的功能是補(bǔ)償空氣在流道循環(huán)后的氣壓損失，保證氣流的速度。按不同的氣流運(yùn)動(dòng)方式分為軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)，目前回流風(fēng)洞均采用軸流風(fēng)機(jī)，效率可達(dá)到90%。系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（電機(jī)及變頻器），控制系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，安全系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)是CWT 的主要耗電設(shè)備，以8m2噴口的CWT 為例，車速最大200kph 時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率約2MW，即每小時(shí)消耗2000 度電。但高速在一個(gè)完整的工況一般只占很小比例，且風(fēng)機(jī)在制動(dòng)時(shí)會(huì)將能量回收到電網(wǎng)（也可作為熱能使用），故風(fēng)機(jī)的實(shí)際能耗會(huì)比理論上小很多。

（3）鋼流道

鋼流道作為氣流循環(huán)通道，使得氣流按照設(shè)定的方向和速度通過噴口到達(dá)試驗(yàn)車輛后回到收集口，進(jìn)行下個(gè)周期的風(fēng)速補(bǔ)償和溫濕度調(diào)節(jié)。按照空氣流向包括：噴口、收集口、連接段，拐角，風(fēng)機(jī)收縮段，擴(kuò)散段，換熱器段等。其中測(cè)試段位于噴口（Nozzle）和收集口（Collector）之間，在測(cè)試段開展試驗(yàn)。鋼流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是考察工藝設(shè)計(jì)公司空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)能力的主要系統(tǒng)，對(duì)整體氣動(dòng)效率，冷熱控制，氣流品質(zhì)的達(dá)成舉足輕重。由于是大表面積薄板鋼材（一般為6mm-10mm），需充分考慮高低溫沖擊引起的溫度應(yīng)力變形，此系統(tǒng)主要對(duì)制造公差和安裝公差要求高，包括平面度，直線度，圓度等，其中噴口的制造和安裝精度以及收集口的調(diào)整對(duì)風(fēng)洞氣流品質(zhì)的達(dá)成至關(guān)重要。

（4）陽(yáng)光模擬系統(tǒng)

陽(yáng)光模擬系統(tǒng)用于不同氣候條件下所需的光照條件。系統(tǒng)主要包含：光源，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)。按照不同使用要求，可配置烏云和隧道模擬，此系統(tǒng)可按照設(shè)定的日照強(qiáng)度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，滿足不同光照下的試驗(yàn)要求。

（5）環(huán)境模擬系統(tǒng)

此系統(tǒng)用于滿足不同條件下的環(huán)境要求。系統(tǒng)主要由換熱器、管路系統(tǒng)、制冷機(jī)組（制冷）、鍋爐（制熱）、冷卻塔及控制系統(tǒng)等組成，通過PID 調(diào)整方式制冷或加熱回路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制，例如溫濕度的控制精度，穩(wěn)定性，升降速率，均勻性等。其中制冷機(jī)組目前使用的制冷劑有R507（氟利昂）和R717（氨氣）。加熱的方式目前有蒸汽，熱水，電加熱等。此系統(tǒng)也是風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試時(shí)間最長(zhǎng)的系統(tǒng)。

（6）控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)為風(fēng)洞的“大腦”/“司令部”，即根據(jù)測(cè)試工況對(duì)各系統(tǒng)按要求進(jìn)行控制和監(jiān)控，包括陽(yáng)光模擬強(qiáng)度，噴口的溫濕度，風(fēng)速的控制（包括噴口-穩(wěn)流段壓差控制法和駐室-穩(wěn)流段壓差控制法），此外轉(zhuǎn)鼓和風(fēng)機(jī)的速度同步也由此系統(tǒng)完成。此外，風(fēng)洞的數(shù)采系統(tǒng)也可連接到該系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)室和車輛數(shù)據(jù)的同步采集等。此外，需要注意的是，試驗(yàn)室環(huán)境條件的數(shù)據(jù)應(yīng)保證和車輛相關(guān)的傳感器保持時(shí)間基準(zhǔn)的一致性，一般的做法是采用NTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)校正。

（7）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心

由于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試過程中的數(shù)據(jù)采集頻率高（一般為10Hz），故每次試驗(yàn)將產(chǎn)生數(shù)以GB 的數(shù)據(jù)（包含試驗(yàn)室傳感器和車輛傳感器），控制電腦的物理硬盤容量將無(wú)法滿足大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，故需建立遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)中心，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到數(shù)據(jù)中心，而控制電腦將更多用于試驗(yàn)室設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的處理。

衡量CWT 的綜合性能的指標(biāo)主要有：

1）整體要求

主噴口/可變噴口面積、主噴口/可變噴口高寬比、主噴口最大風(fēng)速/可變噴口對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速、溫度范圍、相對(duì)濕度范圍、最大絕對(duì)濕度、陽(yáng)光模擬形式、光照強(qiáng)度范圍、形式/布局類型。

2）氣動(dòng)模擬品質(zhì)

風(fēng)速穩(wěn)定性/均勻性、氣流偏角、湍流度、風(fēng)壓脈動(dòng)、軸向靜壓梯度、邊界層移除厚度。

3）環(huán)境模擬品質(zhì)

溫度控制精度、溫度控制均勻性、溫度升降速率（定義溫度區(qū)間內(nèi)）、濕度控制精度、濕度控制均勻性、濕度升降速率（定義區(qū)間）、光照均勻性、低溫濕度控制范圍&精度、降雨降雪要求。

備注：以上指標(biāo)也是CWT 驗(yàn)收時(shí)的主要測(cè)量參數(shù)

2 風(fēng)洞試驗(yàn)室當(dāng)前現(xiàn)狀及趨勢(shì)

風(fēng)洞試驗(yàn)室具有投資大，周期長(zhǎng)（3 年-5 年），使用壽命要求高（一般為50 年以上），建設(shè)此試驗(yàn)室的主機(jī)廠一般需具有一定的規(guī)模和盈利能力（一般年銷量需百萬(wàn)以上）。

風(fēng)洞發(fā)展至今國(guó)內(nèi)外已有很多風(fēng)洞投入使用，效果良好，現(xiàn)匯總?cè)绫?：

表1

可以看出，CWT 和AAWT 已基本成為主機(jī)廠研發(fā)的必備工具。尤其是CWT 的建設(shè)。隨著近年國(guó)內(nèi)主機(jī)廠研發(fā)能力的日益提升，風(fēng)洞試驗(yàn)室在研發(fā)過程中的作用也被更加重視，除上表中的企業(yè)，也有一部分企業(yè)建成模型風(fēng)洞，用于前期油泥造型的優(yōu)化及縮比模型的氣動(dòng)試驗(yàn)，其中泛亞技術(shù)中心模型風(fēng)洞已于2012 年投入使用，上汽的模型風(fēng)洞也進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段。

隨著世界整體汽車工業(yè)水平的提高，目前對(duì)環(huán)境風(fēng)洞模擬的氣動(dòng)指標(biāo)也在逐日提升，環(huán)境風(fēng)洞模擬品質(zhì)的提升對(duì)于主機(jī)廠問題前置，研發(fā)周期縮短具有戰(zhàn)略性意義。同時(shí)環(huán)境風(fēng)洞克服了室外環(huán)境條件的可重復(fù)性差、不確定性高等缺點(diǎn)，對(duì)三高試驗(yàn)（高溫，高寒，高海拔）做了很好的補(bǔ)充和部分代替，極大程度客服季節(jié)對(duì)試驗(yàn)需求的限制。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)室技術(shù)必要性

當(dāng)下汽車工業(yè)進(jìn)入到了輕量化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，其中電動(dòng)車的主要問題之一就是續(xù)航里程焦慮，提高綜合續(xù)航里程的關(guān)鍵途徑之一是提高熱管理的綜合效率，例如使用熱泵（Heat Pump）技術(shù)，廢熱回收（ECR）等，此類試驗(yàn)在CWT 能夠進(jìn)行精確標(biāo)定和驗(yàn)證，而且試驗(yàn)結(jié)果和真實(shí)的路試相比環(huán)境倉(cāng)更為接近，因而在提高研發(fā)質(zhì)量的同時(shí)可以防止設(shè)計(jì)性能過盈/不足，降低研發(fā)成本及風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室由于能夠精確且可重復(fù)地控制氣候環(huán)境，使得整車研發(fā)不受限與自然季節(jié)的變化，極大程度縮短了整車研發(fā)的周期，同時(shí)對(duì)大部分售后的熱失效可進(jìn)行問題重現(xiàn)。同時(shí)可以將試驗(yàn)場(chǎng)和道路的試驗(yàn)環(huán)境工況（溫度、濕度，光照、車速等）導(dǎo)入到轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)中，使得可在試驗(yàn)室內(nèi)復(fù)現(xiàn)真實(shí)道路或試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)開展的試驗(yàn)，開展相關(guān)性研究，逐步減少二者的試驗(yàn)用量，進(jìn)而提高試驗(yàn)效率，減少成本并可有效減少車輛的安全事故發(fā)生率。

另一方面，AAWT 的建設(shè)對(duì)車企建立獨(dú)立的空氣動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)測(cè)試能力也至關(guān)重要。眾所周知，車輛的能量（發(fā)動(dòng)機(jī)/電池包）主要轉(zhuǎn)化為以下形式：

動(dòng)能、慣性力、道路阻力、熱能、機(jī)械阻力、控制系統(tǒng)、空氣阻力（車身，輪胎），其中，空氣阻力F=1/2ρCdAV2，ρ 為空氣密度，Cd 為風(fēng)阻系數(shù)，A 為車輛正投影面積，V 為速度。

上式可以看出減少空氣阻力的有效方法就是優(yōu)化風(fēng)阻系數(shù)和正投影面積的乘積，而此項(xiàng)工作需結(jié)合CFD 仿真和空氣動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證。尤其在油泥模型優(yōu)化階段，需要數(shù)輪的風(fēng)洞試驗(yàn)才能達(dá)到造型和氣動(dòng)性能的綜合平衡。由此可見，空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞是開展此項(xiàng)工作的必備工具，如此才能國(guó)際頭部車企的氣動(dòng)性能研發(fā)縮小差距甚至趕超，正所謂“工欲善其事必先利其器”。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)洞試驗(yàn)室（CWT 和AAWT）是車企研發(fā)的必備工具，隨著中國(guó)汽車頭部車企近年來(lái)的快速發(fā)展和突破，與國(guó)際一流車企的研發(fā)能力也在逐漸縮小，但部分關(guān)鍵試驗(yàn)研發(fā)工具（例如風(fēng)洞）還沒有完全配備，很多車企還是主要依靠第三方，試驗(yàn)計(jì)劃和時(shí)長(zhǎng)無(wú)法保證，因而風(fēng)洞試驗(yàn)室建設(shè)的必要性也日益凸顯。

本文主要介紹了風(fēng)洞試驗(yàn)室的分類，功能和主要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)室目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)短梳理，希望對(duì)讀者有所幫助。